§ 20. Термохімічні рівняння. Тепловий ефект хімічної реакції

Хімічні реакції відбуваються з поглинанням чи виділенням енергії. Зазвичай ця енергія поглинається чи виділяється у вигляді теплоти, а іноді й світла.

Реакції, під час яких теплота виділяється, називають екзотермічними.

Частина таких реакцій відбувається без створення особливих умов для їх перебігу. До початку реакції приводить лише контакт речовин-реагентів, зокрема:

Теплота також виділяється під час взаємодії сильних кислот з лугами. Реакції нейтралізації супроводжуються виділенням теплоти. Так, якщо в пробірку із 2-3 мл хлоридної кислоти додати 2-3 мл розчину калій гідроксиду:

то навіть на дотик можна відчути, що нижня частина пробірки стане теплою.

З виділенням теплоти відбуваються всі реакції горіння (вугілля, природного газу, сірки, магнію тощо), але для їх проведення (принаймні для початку) зазвичай речовини потрібно нагріти. Згадайте, що ви робите, щоб розпалити вогнище чи підпалити вугілля або дрова в каміні. Ви ініціюєте реакцію горіння:

Теплоту хімічних реакцій горіння люди з давніх-давен використовують для обігрівання своїх помешкань, приготування їжі. Для цього вони спалюють деревину, рослинні рештки, вугілля, природний газ. Нині реакції горіння також використовують на металургійних заводах, коксохімічних, теплоенергетичних підприємствах, для роботи двигунів літаків, автомобілів, для запуску ракет, виготовлення феєрверків:

Рис. 20.1. Різнокольорові феєрверки

Є реакції, які відбуваються з поглинання теплоти. Це зазвичай реакції:

Для здійснення таких реакцій речовини потрібно нагрівати постійно. Якщо нагрівання припинити, то зупиняється й перебіг хімічного перетворення.

Тепловий ефект хімічної реакції

Реакції, під час яких теплота поглинається, називають ендотермічними.

Виділення або поглинання теплоти під час хімічної реакції називають тепловим ефектом реакції.

Тепловий ефект — один з можливих зовнішніх ефектів, що супроводжують процес перетворення одних речовин на інші.

З курсу фізики вам відомо, що енергію руху та взаємодії частинок, з яких складається речовина, називають внутрішньою енергією.

Вона складається з енергії всіх частинок речовини (атомів, молекул, йонів) та енергії хімічних зв’язків між ними. Хімічна реакція завжди супроводжується зміною не лише складу й будови речовини, а й зміною внутрішньої енергії. Перебіг реакції пов’язаний з розривом одних зв’язків і виникненням інших. Звісно, при цьому змінюється внутрішня енергія реагентів і продуктів.

Якщо під час реакції сумарна внутрішня енергія реагентів більша за внутрішню енергію продуктів, то відбувається виділення теплоти.

Така реакція є екзотермічною.

Якщо загальна внутрішня енергія реагентів менша за внутрішню енергію продуктів, то відбувається поглинання теплоти.

Така реакція є ендотермічною.

Зміну внутрішньої енергії речовин позначають спеціальним символом — ΔΗ (читають «дельта аш»). Якщо ΔΗ < 0, то це означає, що реакція екзотермічна. Якщо ΔΗ >0 — реакція ендотермічна. Наведемо кілька прикладів екзо- та ендотермічних реакцій:

Теплові ефекти визначають експериментально за допомогою калориметрів.

Іноді виникає потреба не лише зафіксувати сам факт поглинання чи виділення енергії під час хімічної реакції, а й визначити її кількісно.

Хімічне рівняння, у якому вказано кількість теплоти, що виділяється або поглинається, називають термохімічним.

Оскільки тепловий ефект реакцій залежить від агрегатного стану речовин, то в термохімічних рівняннях його, як правило, зазначають. Для цього використовують позначення: т — тверда речовина, р — рідина, г — газоподібна речовина.

Зміну внутрішньої енергії (ΔΗ) записують у рівнянні окремо після коми з крапкою. Наприклад:

2Н₂(г) + О₂(г) = 2Н₂О(г); ΔΗ = -483,6 кДж І

Цей запис означає, що під час взаємодії 2 моль водню і 1 моль кисню утворюється 2 моль водяної пари (газоподібна вода) і виділяється 483,6 кДж теплоти. Знак «мінус» означає, що реакція екзотермічна. Так можна прокоментувати будь-яке термохімічне рівняння.

2Н₂(г) + О₂(г) = 2Н₂О(р); ΔΗ = -564,6 кДж II

Зауважмо, зміна агрегатного стану води (реакції I, II) зумовила зміну теплового ефекту реакції сполучення водню з киснем.

Інший приклад: рівняння реакції перетворення азоту на нітроген(ІІ) оксид:

Під час сполучення 1 моль азоту з 1 моль кисню утворюється 2 моль нітроген(ІІ) оксиду і поглинається 180,8 кДж теплоти.

Як видно з наведених термохімічних рівнянь, перші три реакції є екзотермічними тому, що ΔΗ 0.

Потрібно пам’ятати, що тепловий ефект відповідає тій кількості речовини (моль), яка визначена коефіцієнтами рівняння. Це стосується всіх речовин, які є реагентами і продуктами реакцій.

Практичне значення теплового ефекту

Теплові ефекти реакцій обчислюють для визначення енергетичної цінності харчових продуктів, теплоти згоряння речовин, теплотворної здатності палива. Такі корисні копалини, як вугілля, торф, природний газ, використовують для одержання тепла в промислових умовах і побуті. Під час згоряння однакової кількості палива одні речовини даватимуть більшу кількість теплоти, інші — меншу.

Вивчаючи фізику, ви ознайомились із фізичною величиною питомою теплотою згоряння палива. Пригадаймо, що це кількість теплоти, яка виділяється під час повного згоряння 1 кг палива. Це дає можливість порівнювати, який вид палива дає більше теплоти.

• 1. Реакції, під час яких теплота виділяється, називають екзотермічними, а реакції, під час яких теплота поглинається, — ендотермічними.
• 2. Реакції горіння речовин, взаємодії кислот з основами, оксидів металічних елементів з водою та кислот з металами є екзотермічними.
• 3. Реакції розкладу, відновлення належать до ендотермічних.
• 4. Виділення або поглинання теплоти під час хімічної реакції називають тепловим ефектом реакції.
• 5. Зміну внутрішньої енергії позначають ΔΗ. Якщо ΔΗ 0 — ендотермічна.
• 6. Хімічне рівняння, у якому зазначено тепловий ефект, називають термохімічним.

Контрольні запитання

• 1. Дайте визначення екзотермічних та ендотермічних реакцій. Наведіть приклади.
• 2. Поясніть, що таке внутрішня енергія речовини.
• 3. Чому одні реакції відбуваються з виділенням теплоти, а інші — з поглинанням?
• 4. Дайте визначення теплового ефекту реакцій.
• 5. Чи буде відбуватися реакція розкладу купрум(ІІ) гідроксиду, якщо припинити нагрівання?
• 6. Відомо, що для певної реакції ΔΗ < 0. Що це означає?
• 7. Укажіть, які з наведених рівнянь належать до екзотермічних реакцій, а які — до ендотермічних. Відповідь поясніть:

• 8. Чим відрізняється термохімічне рівняння від молекулярного?
• 9. Що означає знак «мінус» перед числовим значенням теплового ефекту?
• 10. Що означає знак «плюс» перед числовим значенням теплового ефекту?

Вправи та задачі

1. Уперше перебіг реакцій цинку і сірки описав шведський хімік Георг Брандт. Він змішав подрібнені сірку (1 г) та цинк (2 г), а потім доторкнувся до суміші розпеченим сталевим шпателем. Спалахнуло полум’я, з’явився густий білий дим.

Напишіть рівняння реакції. Яка — екзо- чи ендотермічна — ця реакція?

2. Перетворіть наведені схеми на рівняння реакцій та вкажіть, які з них є екзотермічними (відповідь обґрунтуйте):

3. Поясніть, якою — екзо- чи ендотермічною — є реакція

є ендотермічною. Що це означає? Яке значення (>0 чи <0) має ΔΗ для цієї реакції?

5. Прокоментуйте термохімічне рівняння:

6. Укажіть, які з наведених рівнянь описують екзотермічні реакції, а які — ендотермічні:

• а) SO₃(г) + Н₂О(г) = H₂SO₄(p); ΔΗ = -89 кДж;
• б) 2SO₃(p) = 2SO₂(г) + О₂(г); ΔΗ = +284 кДж;
• в) Н₂(г) + Вr₂(г) = 2НВr(г); ΔΗ = -68 кДж;
• г) СаО(т) + СО₂(г) = СаСО₃(т); ΔΗ = -1770 кДж;
• д) N₂(г) + 3Н₂(г) = 2NH₃(г); ΔΗ = -92 кДж.

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

7. Якщо за допомогою спеціального запалу підпалили суміш порошку алюмінію і магнітного залізняку Fe₃O₄, то далі реакція буде відбуватися самовільно з розігріванням суміші до 3500 °С. Термохімічне рівняння цієї реакції:

Чи може мати практичне значення ця реакція?

До яких (екзо- чи ендотермічних) реакцій вона належить?

8. Питому теплоту згоряння деяких видів палива наведено в таблиці.

Назва палива

Питома теплота згоряння (МДж/кг)

Що таке def (Функції) в Python?

Функції можна назвати невеликими підпрограмами, куди можна винести код, що повторюється, і звертатися до нього, коли це буде потрібно. Функції значно полегшують побудову програм, оскільки нам не треба копіювати однотипний код багато разів, а можна просто скористатися однією загальною функцією.

Багато хто плутає функції та методи і не розуміє відмінностей між ними. Насправді відмінностей немає, тому що методи та функції є одним і тим же. Функції записані поза класами називають функціями, а функції записані всередині класів називаються методами.

Така сама ситуація зі змінним. У класах змінні називаються полями, а поза класами – змінними.

У Python функції створюються за допомогою ключового слова def . Кожна функція може мати будь-які параметри або не мати їх зовсім. Функції здатні щось повертати в ході виконання коду, якщо це потрібно.

def some_test(): # Функція без параметрів x = 23 return x # Функція повертає щось def some_test_2(a, b, c): # Функція з 3 параметрами return a * b * c # Функція повертає результат множення чисел def print_something(word, prefix): # Функція з двома параметрами print (prefix, "-", word) pass # Функція нічого не повертає

Коли функція нічого не повертає та нічого не робить, то необхідно прописувати ключове слово pass .

Функції можуть повертати інші функції. Щоб звернутися до функції необхідно прописати її назви та передати параметри, якщо такі є:

У прикладі вище результат виконання функції буде поміщений у змінну res . Далі зі змінною можна працювати як із звичайним значенням у програмі.